專利名稱：三維顯示系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于顯示三維圖象的系統(tǒng)，尤其涉及一種由涂有熒光物質(zhì)的旋轉(zhuǎn)屏幕和在該屏幕上寫出圖象的一支或多支電子槍組成的系統(tǒng)。屏幕掃描出一個顯示體積，一支或多支電子槍對該屏幕發(fā)射電子，激發(fā)熒光物質(zhì)涂層，在三維空間中所要求的點上產(chǎn)生三維象素。
迄今為止，人們提出了許多產(chǎn)生三維顯示的方法。某些系統(tǒng)要求用戶戴上色彩不同成偏振不同的眼鏡。每只眼睛得到的不同信息產(chǎn)生假象的景深。這種系統(tǒng)不是立體顯示的，要求用戶使用特殊的眼鏡，并且只能在有限的角度范圍內(nèi)觀看。
另一種提議依賴射線束的交叉，而在三維空間中產(chǎn)生三維象素。一種方法是在一團氮氣中由兩電子束相交而產(chǎn)生三維象素。在這種方法下，每個電子束的能量恰巧低于氮氣發(fā)光躍遷所需的能量密度閾值。只有在電子束交叉之處，能量密度才足以產(chǎn)生一個發(fā)光的三維象素。但是，利用這種提議的可工作的裝置似乎從未實現(xiàn)過。
另一種建議是將激光束射在半透明的旋轉(zhuǎn)屏幕上。這種裝置價格昂貴，并且激光束難以精確確地定向。
本發(fā)明的目的在于提供一種三維顯示系統(tǒng)，它產(chǎn)生真空的三維圖象，并能以較為低廉的成本進行商品化生產(chǎn)，或者至少向公眾提供一種有用的選擇。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，所提供的顯示系統(tǒng)包括一個抽成真空的容器，該容器至少有一部分是透明的;
處在該容器內(nèi)的涂有熒光物質(zhì)的屏幕;
旋轉(zhuǎn)容器內(nèi)的所述屏幕使得該屏幕掃描出一個顯示體積的裝置;
置于容器內(nèi)的一支或多支電子槍，當屏幕掃描出顯示體積時可以在該屏幕上寫出圖象;
根據(jù)所提供的圖像信息向該一支或多支電子槍提供驅(qū)動信號的控制裝置。
屏幕通常可做成平面狀或螺旋狀。所述一支或更多支電子槍位于顯示體積之上或之下。在平面狀屏幕實施例中，屏幕最好圍繞一垂直旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動，在顯示體積之下設(shè)置三支或更多沿圓周間隔開的電子槍，角度朝上，對準顯示體積的中心。在屏幕邊緣最好配置一個導(dǎo)體，在被電子束擊中時向控制裝置提供一個調(diào)準信號?？刂蒲b置可利用該電子槍調(diào)準信號補償電子槍的失調(diào)。
在較佳實施例中，把通常為平面狀的屏幕的每一側(cè)相對于轉(zhuǎn)軸平分為二，四塊屏幕分區(qū)中的每一塊以保證熒光粉透明度的方式涂上色彩不同的熒光物質(zhì)。在平面狀屏幕實施例中，加在每支電子槍X偏轉(zhuǎn)極板上的X偏轉(zhuǎn)電壓最好用正弦函數(shù)來調(diào)節(jié)，以根據(jù)暴露于電子槍下的屏幕目標區(qū)域調(diào)節(jié)X偏轉(zhuǎn)電壓。轉(zhuǎn)動屏幕的裝置最好包括一部位于容器之外的電動機，藉助于穿過容器的磁耦合件來轉(zhuǎn)動屏幕。屏幕以高于或等于15Hz的速度旋轉(zhuǎn)為佳。容器最好由兩半形成，以簡化結(jié)構(gòu)。
下面參照


本發(fā)明，其中圖1示意性地示出顯示系統(tǒng)的主要部件，以表示該顯示操作。
圖2a至2f示出圖1所示顯示系統(tǒng)的操作。
圖3示出第一實施例的三維顯示系統(tǒng)的平面圖，其中采用兩支電子槍和一個平面狀屏幕。
圖4示出圖1所示的顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖5示出第二實施例的顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖6示出圖5所示顯示系統(tǒng)的平面圖。
圖7示出用于圖5、6的顯示系統(tǒng)中的涂有熒光物質(zhì)的另一種屏幕。
圖8示出用于彩色系統(tǒng)中的涂有熒光物質(zhì)的另一種屏幕。
圖9示出第三實施例的螺旋狀顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖10示出圖9所示實施例的螺旋狀屏幕的平面11示出投射在圖10的螺旋狀屏幕上的同心圓的光柵掃描。
圖12示出投影在圖10的螺旋狀屏幕上的螺旋狀光柵掃描。
圖13示出螺旋狀顯示屏幕的另一種結(jié)構(gòu)。
圖14示出用于驅(qū)動顯示系統(tǒng)的每支電子槍的第一顯示控制電路。
圖15示出用于驅(qū)動顯示系統(tǒng)的電子槍的第二顯示電路。
圖16概略地示出將顯示系統(tǒng)的電子槍對準屏幕的裝置。
圖17示出屏幕旋轉(zhuǎn)時暴露于電子槍下的目標區(qū)域的減少。
圖18示出圖象變換方程中用到的參數(shù)。
圖19示出彩色顯示實施例中屏幕的軸向剖視圖。
圖20示出一種較佳的容器結(jié)構(gòu)。
圖21示出圖20的容器兩半的連接。
現(xiàn)在參見圖1和圖2a至2f，說明本發(fā)明的顯示工作的基本原理。當屏幕1圍繞軸線2旋轉(zhuǎn)(如箭頭A所示)時，屏幕1掃描出一個柱體。雖然圖中示出旋轉(zhuǎn)圍繞著垂直軸線，但屏幕也可以繞著具有任一所需傾斜度的軸線旋轉(zhuǎn)。電子槍3配備有X和Y偏轉(zhuǎn)極板4，使電子束5可以在任何相對于電子槍3的選定角度下射向屏幕1上的任何一點。若屏幕1上有熒光物質(zhì)涂層，則電子束5在屏幕1涂有熒光物質(zhì)的表面的轟擊點處的熒光物質(zhì)會發(fā)射光線。在屏幕1相對于電子槍3的軸線成一給定角度的情況下使電子槍3對準屏幕1上特定的一點發(fā)射電子，則圓柱顯示體中幾乎任何點都可能發(fā)光。每一個這樣的點稱為一個“三維象素”。一個三維象素是三維空間中形成三維圖象的一部分的一個點，對應(yīng)于兩維電視系統(tǒng)中的一個象素。在給定角度θ下，使電子槍對準屏幕1上的很多點發(fā)射，將會產(chǎn)生一片三維圖象。現(xiàn)在參見圖2a至2f，以簡要的例子說明本發(fā)明的方法。圖2a是圖1所示裝置沿軸線2朝下看的平面圖(僅示出半個屏幕)。該例中，通過在屏幕相對電子槍3軸線的不同角度下生成一連串幀圖象，形成一個簡單的球體。本例中，對于屏幕相對電子槍3軸線的各種角度得出球體6的輪廓。對于圖2b至2f所示屏幕的各個角度，圓點表示屏幕的熒光涂層被電子束激勵的點。這些不同的屏幕位置分別稱為7、8、9、10、11。這些連續(xù)的幀稱為“扇形區(qū)”。如果顯示體積分成256個扇形區(qū)，則會產(chǎn)生256個等間隔的幀。
當顯示屏幕處在數(shù)字7所指示的位置時，產(chǎn)生圖2b所示的圓。這個圓是通過將電子槍3的電子束射到限定該圓的顯示點上而產(chǎn)生的。這樣，熒光涂層受到激勵，以被電子槍所激發(fā)的各個點的圖案產(chǎn)生可見光。
在屏幕旋轉(zhuǎn)一圈過程中，在屏幕1的下一位置8，產(chǎn)生圖2c所示的幀。這是一個略大些的圓周，表示球體6的下一片。屏幕1的熒光涂層最好具有極短的保留時間，使得各個幀在屏幕旋轉(zhuǎn)時不產(chǎn)生余輝。當然，屏幕從位置7移動到位置8后，幀7中產(chǎn)生的圖象不再留存。對圖2d至2f也是類似的。這些幀將在屏幕1分別處于位置9、10和11時產(chǎn)生。
在屏幕1的每次旋轉(zhuǎn)中，同樣的幀2b至2f會重寫在屏幕11的同一角度位置上，直到所顯示圖象變更為止。若屏幕1以足夠高的速度旋轉(zhuǎn)，閃爍最小，人眼會同時地看到幀2b至2f限定的所有點，各個幀2b至2f會持續(xù)至可被人眼觀察到。在有數(shù)目足夠大的三維象素產(chǎn)生的情況下，就會看到一個三維固體物體。當然，在本例中分辨率較低。
每一扇形區(qū)中三維象素的最大數(shù)目取決于系統(tǒng)的帶寬和扇形區(qū)的數(shù)目Ns。系統(tǒng)的帶寬B是每秒可輸出至顯示體積的三維象素的最大數(shù)量。這樣，每個扇形區(qū)三維象素的最大數(shù)量Vs由下式給出VS= (B)/(NS) × 1/(f)其中f是屏幕的旋轉(zhuǎn)頻率。
現(xiàn)在參見圖3和4，其中示出第一個實用裝置。涂有熒光物質(zhì)的屏幕31支撐在驅(qū)動軸32上，驅(qū)動軸32由電動機33通過磁耦合轉(zhuǎn)動。電動機旋轉(zhuǎn)容器34之外的一塊磁體，該磁體與容器內(nèi)連接軸32的一塊磁性材料作磁耦合。軸32和屏幕31裝在抽成真空的玻璃容器34中。容器34至少有一部分是透明的，以便觀看所產(chǎn)生的圖象。電動機33與軸32作磁耦合，以避免伴隨驅(qū)動結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的密封問題。
電子槍35和36設(shè)置在頂點上，對準屏幕31的中心軸線。電子槍可以是陰極涂有氧化物、利用靜電偏轉(zhuǎn)的3K5U電子槍，當然也可采用利用磁性偏轉(zhuǎn)的電子槍。每支電子槍35、36在屏幕相對于電子槍軸線的一定角度范圍內(nèi)將圖象寫至顯示屏上。利用這種方法，在涂有熒光物質(zhì)的屏幕31的一次完整轉(zhuǎn)動中，可以寫出三維圖象的所有點。
若僅設(shè)置一支電子槍，則對于部分圖象存在一個“死區(qū)”。當屏幕與電子槍成一直線時，不能在屏幕31上寫圖象。當單個電子槍的電子束相對于屏幕的表面形成銳角時，三維象素變得太長，不能產(chǎn)生清晰的圖象。也難以按需要的精度產(chǎn)生X偏轉(zhuǎn)電壓。因此，要在整個掃描體積中產(chǎn)生清晰的三維象素，設(shè)置了兩支電子槍。它們最好間隔120°。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，要避免閃爍，涂有熒光物質(zhì)的屏幕31應(yīng)以不低于15Hz的速度旋轉(zhuǎn)。涂有熒光物質(zhì)的屏幕31最好以大約15Hz的頻率旋轉(zhuǎn)，以使用于產(chǎn)生三維象素的帶寬最大。
涂有熒光物質(zhì)的屏幕31可以只在一面涂覆熒光物質(zhì)。在本實施例中，電子槍35在屏幕31的第一旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)對準屏幕31發(fā)射，而電子槍36在屏幕31的第二旋轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)對屏幕寫圖象。每一電子槍向屏幕31寫圖象的角度范圍確定成避免任一電子槍在傾斜的角度下對屏幕寫圖象。
現(xiàn)在參見圖5和6，其中示出一個較佳的實施例。在本例中，三支電子槍41、42和43位于容器45之下，其軸線以一定的角度對準涂有熒光物質(zhì)的屏幕44。電子槍的軸線最好對準屏幕44的中心，與軸40的軸線的夾角處在30°至65°之間。該角度以40°至60°為較佳。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于電子槍頭部不會阻礙對圖象的觀看。應(yīng)該認識到，在另一實施例中，電子槍可以設(shè)置在容器頂部，角度朝下，向內(nèi)對準屏幕。但是，電子槍仍以設(shè)在底部為好，這樣它們不會阻礙從上方觀看。在另一實施例中，在屏幕周圍可設(shè)置四支或更多電子槍。電子槍最好置于顯示屏幕之下。電子槍數(shù)目的增多會增加三維象素的數(shù)量，但也會增加成本和復(fù)雜性。
抽成真空的容器45的外壁以圓柱形或球形為佳。這使其便于防止爆炸。在玻璃容器45之外最好設(shè)置有機玻璃圓柱。
屏幕最好呈平面狀，有矩形外形，當然其它形狀也可采用。采用多邊形屏幕(八角形或圓形)可增大顯示器體積與可用體積之比。對于本發(fā)明的一個方面來說屏幕44可以只在一面涂覆熒光物質(zhì)。各電子槍41、42、43當屏幕44處于其120°扇形區(qū)(亦即，在屏幕垂直于電子槍軸線的兩側(cè)各60°范圍內(nèi))時，對屏幕44寫圖象。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，如圖7所示，屏幕44的上半部46在一側(cè)涂有熒光物質(zhì)，而下半部47在另一側(cè)涂有熒光物質(zhì)。這樣，一支電子槍或另一支電子槍可在整個360°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)對屏幕寫圖象，而當屏幕僅在一面涂有熒光物質(zhì)時，只能在大約180°范圍內(nèi)寫圖象。這樣能提供更多三維象素。
根據(jù)本發(fā)明的再一方面，如圖8所示，可以產(chǎn)生彩色圖象。在交替的豎條48、49、50上涂以被激發(fā)后能產(chǎn)生不同顏色的熒光物質(zhì)。自然，在實際裝置中，熒光涂層的線條會靠得非常緊。激發(fā)某條特定的熒光帶，就會產(chǎn)生所需的顏色。作為另一種做法，屏幕上可形成橫條。該方法不利之處在于，電子束必須非常精確地對準，以便擊中合適的橫條。
圖19中示出彩色顯示系統(tǒng)的較佳屏幕結(jié)構(gòu)。該實施例中，屏幕128每一側(cè)的一半涂覆不同色彩的熒光物質(zhì)129、130、131和132(亦即，被電子束激發(fā)時產(chǎn)生不同色彩的熒光物質(zhì))。每一側(cè)沿屏幕128的旋轉(zhuǎn)軸線133垂直地分兩半。每一側(cè)的兩半涂以不同色彩的熒光物質(zhì)。所用熒光物質(zhì)的四種色彩最好為紅、藍、綠和白。不同色彩三維象素的疊加可產(chǎn)生全部可見色彩。熒光色彩中引入白色使得純白色三維象素能容易地產(chǎn)生。為了實現(xiàn)高清晰圖象，重要的一點是確保屏幕上的熒光層透明，從而減少三維象素的模糊程度。應(yīng)認識到圖19只是示意性的，屏幕上的熒光層是非常薄的。對于本實施例，最好設(shè)置三或四支電子槍，圍繞屏幕平均地間隔開，使得在顯示體積的所有點上可產(chǎn)生所有色彩，屏幕不會有死區(qū)。為了避免圖象受阻擋，三支電子槍置于等分面之下(見圖5和6)。
對本申請中用到的熒光物質(zhì)有種種要求。它必須具有極短的保留時間，因而不會產(chǎn)生余輝，并且，熒光物質(zhì)牢固地附著于旋轉(zhuǎn)屏幕上，而不會從屏幕上脫落。用于單色顯示的熒光物質(zhì)以P31、P51、P20或P45為佳。熒光物質(zhì)最好涂在玻璃屏上，其厚度在0.2至2mm間較佳，以減少死區(qū)，并將內(nèi)部折射降至最少。熒光物質(zhì)焙燒在玻璃上，因而牢固地附于其上。熒光物質(zhì)最好加熱至稍低于其臨界溫度，這樣可以實現(xiàn)熒光物質(zhì)與玻璃的最佳附著，而不損壞熒光物質(zhì)。熒光物質(zhì)P31由于其高轉(zhuǎn)換效率和短的保留時間而較為理想。最好采用透明的熒光物質(zhì)，這樣所產(chǎn)生的圖象不會被屏幕阻擋和散焦。屏幕表面的熒光物質(zhì)最好加以腐蝕至其透明為止。圖象的強度隨熒光物質(zhì)種類、三維象素停留時間和電子束加速電壓而變。利用配有后偏轉(zhuǎn)加速網(wǎng)板的電子槍可以增加圖象強度。
在單槍和多槍系統(tǒng)中，重要之處在于保證電子槍正確地對準屏幕，以將圖象畸變減至最小。在多槍系統(tǒng)中，精確地調(diào)準電子槍以確保由不同電子槍寫出的圖象部分平滑地過渡，這一點更為重要。在生產(chǎn)過程中以所需精度調(diào)準電子槍會是困難的，并且成本高。此外，這種方法在電子槍失調(diào)或放大器特性變動時需要重新調(diào)校系統(tǒng)。
現(xiàn)在參見圖16，其中示出一種進行電子槍調(diào)準的較佳辦法。顯示裝置中涂有熒光物質(zhì)的屏幕110類似于圖5和6所示的顯示裝置的屏幕44。沿著屏幕110的邊緣固定一根細導(dǎo)體112，本例中為一根導(dǎo)線。導(dǎo)線112邊緣的形狀可用于校準，最好與屏幕110的邊緣平行。轉(zhuǎn)軸111轉(zhuǎn)動屏幕110。連桿113提供導(dǎo)線112和金屬轉(zhuǎn)軸111之間的電氣連接。電刷114形成轉(zhuǎn)軸111和導(dǎo)線115之間的電氣連接。另一種方法是通過轉(zhuǎn)軸114軸承實現(xiàn)導(dǎo)電。導(dǎo)線115連到放大器116的輸入，放大器116在導(dǎo)線117上產(chǎn)生輸出信號，傳送給控制計算機(見圖15)。
當電子束射至導(dǎo)線112上時會產(chǎn)生一股電流，它流經(jīng)連桿113、轉(zhuǎn)軸111和導(dǎo)線115，流至放大器116。放大器116產(chǎn)生輸出信號，通過導(dǎo)線117傳送給控制計算機。利用這個信號可以進行多種測量。首先，可以確定屏幕垂直于電子槍的電子束的位置。為了進行這種測試，電子束在恒定的Y板偏轉(zhuǎn)電壓下從左至右掃描屏幕(最好掃描屏幕的中央部位)。一旦電子束射至導(dǎo)線112上，即有一個信號經(jīng)導(dǎo)線117傳至控制計算機。在屏幕10處于某一角位置，在此位置時，水平掃描信號之間的時間最長，則控制計算機得知該屏幕垂直于某支特定的電子槍。其次，電子束在不同的Y板偏轉(zhuǎn)電壓和不同的X板偏轉(zhuǎn)電壓下，多次水平和垂直地掃描屏幕，藉此，計算機可計算出電子槍的失調(diào)，并采取適當步驟進行補償。計算機經(jīng)過對電子槍偏轉(zhuǎn)電壓和導(dǎo)線117上的信號的處理，可以確定電子束對準邊緣導(dǎo)線112時的偏轉(zhuǎn)電壓。例如，電子槍可能未對準屏幕的旋轉(zhuǎn)軸線，和/或存在旋轉(zhuǎn)失調(diào)。計算機如上所述測出這類失調(diào)，并進行補償。由特定電子槍寫出的圖象可以偏移和/或旋轉(zhuǎn)，從而寫至屏幕110上正確的位置上。若導(dǎo)線112置于屏幕的邊緣，則計算機可得知必須在其中寫出圖象的X和Y板偏轉(zhuǎn)電壓值。
這類校準定標測試通常在開始顯示時進行。然而，也可以以固定的間隔時間自動進行電子槍失調(diào)測試，以補償工作過程中由偏轉(zhuǎn)板放大器漂移等原因產(chǎn)生的任何變動。
現(xiàn)在參見圖20，說明較佳的容器構(gòu)造。較佳的容器由兩半部分134和135組成。容器的這種形式使得磁耦合件141和屏幕140可以在頂半部134固定在底半部135上之前定位并固定在底半部135中。頂半部134是透明的，最好由玻璃做成。底半部135最好也用玻璃做成。這種結(jié)構(gòu)形式使屏幕140能最大限度地利用有效的顯示體積。當內(nèi)部部件定位并且固定在其工作位置上之后，容器的頂半部134就固定在底半部135上。然后可將電動機和磁耦合件139固定在容器的底部。
圖21是容器頂半部和底半部之間連接處142的一種可能的放大剖視圖。頂半部134和底半部135由能夠牢固粘接玻璃并保持真空的粘膠143(如AREMCO503CERAMA粘接劑)粘接在一起。然后容器經(jīng)過烘焙，通過管子144抽真空，并密封。然后，在容器頂、底兩半接合處涂上一圈粘膠145，以確保這兩半容器機械上牢固地粘在一起。容器的頂半部134可再用一個塑料罩圍住，在發(fā)生爆炸情況時提供保護。
現(xiàn)在參見圖9，其中示出第三實施例。本例中，涂有熒光物質(zhì)的屏幕形式為螺旋體51，由轉(zhuǎn)軸53支撐。電子槍52與轉(zhuǎn)軸53的軸線對準，可置于螺旋體之上或之下。螺施體51可以是涂有熒光物質(zhì)的玻璃，或者是涂有熒光物質(zhì)的導(dǎo)線網(wǎng)。這種構(gòu)造具有的優(yōu)點是，寫出顯示體積內(nèi)所有三維象素只需一支電子槍，并且螺旋體的采用使得光柵掃描方法可以應(yīng)用。
沿著轉(zhuǎn)軸53的軸線觀察，看到螺施體為平面上的一個圓，如圖10所示，若電子槍52的偏轉(zhuǎn)極板上加上偏轉(zhuǎn)電壓，掃出一系列同心圓，則電子槍只有當其偏轉(zhuǎn)電壓使得電子束指向屏幕51上所需點時才需發(fā)射。這樣，對于每個扇形區(qū)(即屏幕的每個旋轉(zhuǎn)角度)，同心圓的光柵掃描可形成于屏幕51的平面圖上，如圖10所示，與電視機中產(chǎn)生光柵掃描的方法類似。這樣，不必為了在每個需要位置上將電子束定位而對電子槍施加偏轉(zhuǎn)電壓，而在前面實施例的點圖象方法中這是需要的。所要做的只是當偏轉(zhuǎn)電壓對應(yīng)于需要三維象素的光柵掃描位置時使電子槍發(fā)射出電子束。
這樣，偏轉(zhuǎn)板放大器可以簡化，用調(diào)諧放大器代替目前采用的DC至高頻放大器。此外，目前采用的靜電偏轉(zhuǎn)可以由磁偏轉(zhuǎn)替代。這進而使得電子束加速電壓可以增大，導(dǎo)致更高強度的圖象。
在一對偏轉(zhuǎn)板上施加函數(shù)Asinwt，而在另一對偏轉(zhuǎn)板上施加函數(shù)Acoswt，就能容易地實現(xiàn)同心圓的光柵掃描。改變振幅函數(shù)A，可以產(chǎn)生同心圓。
根據(jù)另一實施例，振幅函數(shù)保持不變，從而限定了一個與平面圖(見圖10)中螺旋體的圓周邊緣同心的圓。在導(dǎo)體54上施加一個電壓向內(nèi)吸引電子束或?qū)⑵湎蛲馔瞥?，電子束就可以偏向或偏離螺旋體的中心。導(dǎo)體54可以從螺旋體中央的玻璃絕緣管中穿過。若導(dǎo)體54上電壓是階梯狀的，則光柵掃描將由許多同心圓構(gòu)成。根據(jù)另一個實施例，導(dǎo)體54上可施加一斜坡電壓。這會產(chǎn)生圖12所示的螺旋狀光柵掃描。
現(xiàn)在參見圖13，其中示出螺旋屏幕的較佳結(jié)構(gòu)。螺旋屏幕61由圍繞其外周的一個透明圓柱62支撐。這樣，其中央沒有支撐軸遮擋所產(chǎn)生的圖象。
現(xiàn)在參見圖18，就設(shè)于平面狀屏幕的等分面之下的電子槍，考慮其計算X和Y偏轉(zhuǎn)坐標所需的方程。所顯示的對象最初以3維物體坐標(x，y，z)的形式存儲。這些坐標必須轉(zhuǎn)換成電子束偏轉(zhuǎn)坐標X、Y，以便將圖象寫到旋轉(zhuǎn)屏幕上。物體笛卡兒坐標(x，y，z)首先轉(zhuǎn)換成柱體極坐標(γ，Z，θ)。對于等分面之下角度P處的電子槍，其參數(shù)如圖18中所示。等分面123是由在中心126處垂直于旋轉(zhuǎn)屏幕124的一根直線旋轉(zhuǎn)形成的平面。Dy是Y偏轉(zhuǎn)板125與屏幕中心126之間的距離。Dx是X偏轉(zhuǎn)板127至屏幕中心126的距離。角度θ(未示出)是在等分面中電子槍軸線與垂直于屏幕124穿過其中心126的軸線的夾角。電子槍的偏轉(zhuǎn)坐標(x，y)由下列式子給出X= (DXcosPcosθ)/(DXcosP+γsinθ)Y= (DyzcosP-DyγsinPsinθ)/(Dy+γcosPsinP+ZsinP)要顯示的對象最好以點，線和橢圓圓弧的集合形式存貯。利用這些對象原始數(shù)據(jù)，在轉(zhuǎn)換(例如旋轉(zhuǎn))對象時只需較少的計算。
所能顯示的三維象素的數(shù)量取決于所選定的移動時間和駐留時間。移動時間是電子束從一個三維象素位置移至另一個所需的時間。駐留時間是電子束在每個三維象素位置上必須停留的時間。對于每一對三維象素，利用電子束偏轉(zhuǎn)信號構(gòu)成固定的移動和駐留時間比采用不同的移動時間更理想。駐留時間由電子束和熒光物質(zhì)特性所控制。如果移動時間小于電子束移動至下一位置所需的時間，畫出的三維象素則會位置不正確。為了避免這種情況，引入了空白三維象素，在此種象素中電子束強度為零。另一種情況是，當?shù)竭_下一個三維象素位置所需的時間小于移動時間時，會浪費一些標繪時間。因而，使短移動時間與長移動時間交替出現(xiàn)，前者增長每一扇形區(qū)中的三維象素的可能數(shù)量，并使無用的電子束等待時間減至最短，后者則降低所需空白三維象素的數(shù)量。迄今采用的原型裝置的較佳駐留時間約為0.3μs，移動時間約為0.2μs，(約為電子束全范圍偏轉(zhuǎn)所需時間的五分之一)。
對于圖1和2所示的例子，采用簡單的點描繪法。因為各三維象素發(fā)生時間的間隙取決于改變偏轉(zhuǎn)電壓所需的時間，照明三維象素的方式以使電子束移動時間最小為佳。
因此，最好進行一些數(shù)據(jù)處理，以確定隨后應(yīng)使哪一個三維象素被照明。理想的情況下，應(yīng)采用旅行推銷員方案來解決各三維象素間的最短路經(jīng)問題。但是，因為所需運算的次數(shù)隨著要連接的三維象素的數(shù)量呈指數(shù)式增加，所需的處理時間不能限于合理范圍內(nèi)。因而，處理數(shù)據(jù)較佳的方式是將三維象素等分成兩組，進而將每一組再等分成兩組，如此繼續(xù)，直至每一組包含有可容易地處理的三維象素為止。然后可對每一組內(nèi)取得最大效率。這是一種折衷，避免對數(shù)據(jù)處理提出過分的要求。
若在顯示體積內(nèi)采用恒定數(shù)目的扇形區(qū)，則可以認識到，柱形顯示體積外緣的三維象素相隔得要比中心處的象素相隔得更遠。為了對此作出補償，對于顯示體積的外緣，設(shè)置更多的扇形區(qū)。例如，圖象的內(nèi)部柱形體積可以顯示出256個扇形區(qū)，而對于外部的圖象體積則顯示出512個扇形區(qū)。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，確定大量的圓柱體積，扇形區(qū)的數(shù)量隨圓柱體積的半徑而增大。最終，扇形區(qū)的數(shù)量正比于其至顯示中心軸線的距離連續(xù)變化。
現(xiàn)在參見圖14，其中示出本發(fā)明第一或第二實施例的用于驅(qū)動顯示系統(tǒng)電子槍的電路。產(chǎn)生圖象的數(shù)據(jù)從計算機70經(jīng)由并行總線71卸載至RAM72。RAM地址的一部分對應(yīng)于數(shù)據(jù)所涉及的扇形區(qū)。例如，對于各有512個三維象素的256個扇形區(qū)，A9-A16是扇形區(qū)，A0-A8是該扇形區(qū)內(nèi)的三維象素。一個扇形區(qū)可能有的三維象素數(shù)量取決于系統(tǒng)的帶寬和所用扇形區(qū)的數(shù)量(如前所述)。在每個這類地址中，存貯12個與電子槍X偏轉(zhuǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)位，10個與Y偏轉(zhuǎn)有關(guān)的數(shù)據(jù)位，和2個空白數(shù)據(jù)位。因為有了12個X偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)位，因而當屏幕與電子槍形成傾斜的角度時可以作出補償亦即，當屏幕相對電子槍形成傾斜的角度時，電子束必須限制在比最大的X尺度窄些的寬度內(nèi)。為保持分辨率，相同的數(shù)據(jù)必須壓縮進可用的電子束寬度內(nèi)。將數(shù)據(jù)壓縮進目標電子束區(qū)域內(nèi)的工作可由軟件進行。
鎖相環(huán)74得到一個標引信號73。當檢測到激光束進入支撐涂有熒光物質(zhì)的屏幕的轉(zhuǎn)軸上的一個孔時，產(chǎn)生該標引信號。該孔在一個與轉(zhuǎn)軸軸線成略小于90°的角度上鈷出，使得每次旋轉(zhuǎn)只產(chǎn)生一個脈沖。標引脈沖73提供給鎖相環(huán)74，以保證鎖相環(huán)與屏幕的旋轉(zhuǎn)同步。在屏幕每一次旋轉(zhuǎn)中，鎖相環(huán)74在導(dǎo)線75上產(chǎn)生多次輸出脈沖，與系統(tǒng)所有的扇形區(qū)數(shù)量對應(yīng)。例如，對于256個扇形區(qū)，屏幕每轉(zhuǎn)動一圈，鎖相環(huán)74產(chǎn)生256個等間隔的脈沖。通過導(dǎo)線75傳送給計數(shù)器76的輸出信號使計數(shù)器相應(yīng)于地址的扇形區(qū)部分增量。
時鐘信號77提供給定時和控制電路78。時鐘信號77的頻率兩倍于寫三維象素的頻率。導(dǎo)線78a上的輸出信號使計數(shù)器76中的三維象素數(shù)量增加。
因此，對于第一個扇形區(qū)，可以向計數(shù)器76提供一個脈沖，將地址的扇形區(qū)部分復(fù)位為0。地址的三維象素部分從0起始。這樣，初始地址為0。定時和控制電路78輸出脈沖至計數(shù)器76，將計數(shù)器的三維象素部分增量至511。這樣，最終產(chǎn)生的地址為511。然后，扇形區(qū)計數(shù)器增量，而三維象素計數(shù)器對于下一個扇形區(qū)重新置位，亦即，地址512。
地址接連地傳至RAM72，RAM72輸出對應(yīng)于各個地址的數(shù)據(jù)。12個X數(shù)據(jù)位提供給X偏轉(zhuǎn)放大器79，10個Y數(shù)據(jù)位提供給Y偏轉(zhuǎn)放大器80，而空白數(shù)據(jù)位供給空白電路81。2個空白數(shù)據(jù)位最好使電子槍打出一個點，或者打出一條直線，或者根本不啟動。
這一電路具有的不利之處是，所有三維象素值，包括零值在內(nèi)，都必須存儲在RAM中。這是非常低效的。此外，對扇形區(qū)數(shù)目的動態(tài)控制不能進行。然而，最主要的不利之處在于它不能顯示活動的圖象。
圖15示出一個改進的電路，基本克服了這些問題。該電路可以是卡狀的，可插入486個人計算機的插槽中。在此電路中設(shè)置兩個組RAM85和86。這樣允許在對一個RAM組寫入圖象時從另一個RAM組中取出圖象數(shù)據(jù)，從而可進行實時動畫制作。RAM組的選擇由計算機88在控制線87上的一個信號進行。計算機88經(jīng)由地址總線89和數(shù)據(jù)總線90對RAM組85和86進行寫入。振蕩器91提供時鐘信號給定時器92。定時器92在導(dǎo)線93上給出一個三維象素時鐘信號給計數(shù)器94。計算機88可以和計數(shù)器94通信，以直接從計算機裝入新的數(shù)值。
在此電路中，只有要顯示的三維象素被存在RAM中。電路的動作由計算機88控制。計算機通過總線95與定時器92交換控制和數(shù)據(jù)信息。導(dǎo)線95向定時器92提供有關(guān)下一扇形區(qū)中三維象素數(shù)量的數(shù)據(jù)。定時器92在導(dǎo)線93上產(chǎn)生該扇形區(qū)中所需的三維象素時鐘脈沖的數(shù)量。扇形區(qū)數(shù)值由計算機88通過總線100裝入計數(shù)器94中。
例如，對于扇形區(qū)0，計數(shù)器94中可裝入地址0。如果扇形區(qū)0中要寫入23個三維象素，則計算機通過總線95將此通知定時器92。從而產(chǎn)生23個三維象素時鐘脈沖。定時器92在導(dǎo)線93上產(chǎn)生23個三維象素時鐘脈沖。計數(shù)器連續(xù)地輸出地址0至22。每個地址的數(shù)據(jù)順序地從選中的RAM組85、86取得。該數(shù)據(jù)供給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)102和103及空白電路98。
一旦產(chǎn)生23個脈沖，定時器92即在導(dǎo)線99上產(chǎn)生一個扇形區(qū)中斷信號，給計算機88。然后，計算機將下一扇形區(qū)信息輸出給計數(shù)器94和定時器92。此電路使顯示裝置的控制更加靈活。例如，在軟件中可以設(shè)定扇形區(qū)的數(shù)量。
如果軟件中對X偏轉(zhuǎn)數(shù)值作了調(diào)節(jié)，則X-DAC的輸出可以直接供給放大器96。然而，這要用到一個價格昂貴的高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。根據(jù)圖15所示的較佳實施例，X偏轉(zhuǎn)信號如下述那樣乘以一個正弦函數(shù)。
現(xiàn)在參見圖17，在位置A和B處示出屏幕120。在位置A，屏幕垂直于電子槍121的電子束。在該位置，屏幕120提供最大的目標區(qū)域，X偏轉(zhuǎn)角的范圍給定為角度“a”。在位置B，屏幕120與電子槍121形成很尖銳的角度，提供了較小的目標區(qū)域，X偏轉(zhuǎn)角的范圍給定為角度“b”。當屏幕120與電子槍121的軸線形成銳角時，X電子束偏轉(zhuǎn)的微小變動會導(dǎo)致屏幕上三維象素位置的巨大變化。
目標區(qū)域的寬度122隨屏幕相對電子槍121軸線的角度的正弦值成正比變化。根據(jù)本發(fā)明，將X偏轉(zhuǎn)板的數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸出乘以一個正弦函數(shù)即可解決上述問題。
再次參見圖15，X-DAC102的輸出加到乘法器104。發(fā)生器105產(chǎn)生一個正弦函數(shù)，經(jīng)由導(dǎo)線106輸出給乘法器104的另一輸入端。屏幕位置信號101使發(fā)生器105的輸出與屏幕的實際位置同步。傳給放大器96的乘法器104的輸出是經(jīng)正弦函數(shù)調(diào)節(jié)后的原始X偏轉(zhuǎn)數(shù)值，因而，最大偏轉(zhuǎn)數(shù)值與屏幕的目標寬度相適應(yīng)。這樣，可以采用較為便宜的8位DAC替代高精度DAC。放大器96和97的輸出分別加至X和Y偏轉(zhuǎn)板。
在前面的說明中，所涉及到的整數(shù)或組成部分具有已知的等同物，則這些等同物在此被并入，如同將其單獨舉出一樣。雖然本發(fā)明是通過舉例的方式說明的，但應(yīng)該認識到，對其可作出改進和/或變化，而不致脫離權(quán)利要求書中限定的本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明的顯示系統(tǒng)可用于空港雷達系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)成象、計算機輔助設(shè)計、計算機顯示、教學(xué)和軍事目的。然而，要認識到本發(fā)明并不限于這些用途，在其它許多領(lǐng)域中也可找到其用途。
權(quán)利要求
1.一種顯示系統(tǒng)，其特征在于，它包括一個抽成真空的容器，至少其部分是透明的；該容器內(nèi)涂有熒光物質(zhì)的屏幕；用于轉(zhuǎn)動容器內(nèi)的屏幕從而使屏幕掃描出一個顯示體積的裝置；置于容器內(nèi)的一支或更多支電子槍，當屏幕掃描出顯示體積時可將圖象寫至屏幕上；以及根據(jù)所提供的圖象信號向該一支或更多支電子槍提供驅(qū)動信號的控制裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕一般呈平面狀。
3.如權(quán)利要求2所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，該一支或更多支電子槍置于顯示體積之上或之下。
4.如權(quán)利要求3所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，在屏幕的轉(zhuǎn)軸周圍，沿圓周分開設(shè)置三支電子槍。
5.如權(quán)利要求3或4所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，電子槍在顯示體積之下繞屏幕的轉(zhuǎn)軸沿圓周等間隔配置。
6.如權(quán)利要求3至5中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，每一電子槍的軸線與屏幕轉(zhuǎn)軸的夾角介于30°至65°之間。
7.如權(quán)利要求6所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，每一電子槍的軸線與屏幕的轉(zhuǎn)軸的夾角在40°至60°之間。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，每一電子槍的軸線通常指向屏幕的中央。
9.如權(quán)利要求2至8中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，在屏幕第一側(cè)的部分表面附有熒光物質(zhì)涂層，而在另一側(cè)表面上與前述部分表面互補的部分附有熒光物質(zhì)涂層。
10.如權(quán)利要求9所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，兩個屏幕側(cè)面互補的兩半涂有熒光物質(zhì)。
11.如權(quán)利要求2至10中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕的每一側(cè)相對于屏幕的轉(zhuǎn)軸劃分成兩半，四個屏幕半部中的每一個各涂有一種熒光物質(zhì)，它們被電子束激發(fā)時產(chǎn)生不同色彩的光。
12.如權(quán)利要求11所示的顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述色彩為紅、綠、藍和白。
13.如權(quán)利要求2至12中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，沿屏幕的邊緣位置一個導(dǎo)體，在該導(dǎo)體至容器外的檢測器之間有一條電氣通道，當電子槍擊中導(dǎo)體時向控制裝置提供一個調(diào)準信號。
14.如權(quán)利要求13所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，導(dǎo)體形成圍繞屏幕邊緣的矩形路徑。
15.如權(quán)利要求13或14所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，為了校準屏幕相對電子槍軸線的垂直度，控制裝置驅(qū)動多支電子槍中的一支，當屏幕旋轉(zhuǎn)時迅速地用電子束橫向掃描屏幕，控制裝置包括對每一次掃描計算調(diào)準信號之間的時間，以確定屏幕垂直于電子槍時的角度的裝置。
16.如權(quán)利要求13至15中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，為了校準寫于屏幕上的圖象的旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換，控制裝置驅(qū)動該一支或更多支電子槍在某一特定旋轉(zhuǎn)角度下進行一系列沿屏幕的垂直掃描和橫越屏幕的水平掃描，控制裝置根據(jù)調(diào)準信號計算旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)換，并改變給一支或更多支電子槍的驅(qū)動信號，以補償旋轉(zhuǎn)和/或轉(zhuǎn)換。
17.如權(quán)利要求2至16中任一項所示的顯示系統(tǒng)，其特征在于，每支電子槍具有X和Y偏轉(zhuǎn)板，施加于X偏轉(zhuǎn)板上的驅(qū)動信號乘以一個與屏幕的旋轉(zhuǎn)同步的正弦函數(shù)，以將X偏轉(zhuǎn)板驅(qū)動信號調(diào)節(jié)成與屏幕的目標寬度成正比。
18.如權(quán)利要求2至17中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，X偏轉(zhuǎn)板坐標X根據(jù)下式計算X= (DXcosPcosθ)/(DXcosP+γsinθ)其中，Dx是要寫出的三維象素的柱極坐標，P是電子槍軸線與等分面的夾角。Y偏轉(zhuǎn)坐標Y由下式給出Y= (DyZcosP-DyγsinPsinθ)/(Dy+γcosPsinP+ZsinP)其中，Dy是Y偏轉(zhuǎn)板至屏幕中央的間距。
19.如權(quán)利要求1所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕呈螺旋體形狀，圍旋螺旋體的軸線旋轉(zhuǎn)，只有一支電子槍，其軸線基本上與螺旋體的軸線成一直線，沿螺旋體的軸線設(shè)置一個導(dǎo)體，它在螺旋體接近電子槍的一端終止，從該導(dǎo)體至容器外部形成一條電氣路徑，使得能在該導(dǎo)體上施加一偏轉(zhuǎn)電壓，以吸引電子束朝向螺旋體中央或?qū)⑵涑馀懦狻?br> 20.如權(quán)利要求19所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，螺旋體支撐在一透明柱體內(nèi)。
21.如權(quán)利要求19或20所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，對于每一扇形區(qū)，導(dǎo)體上施加一階梯狀電壓，以產(chǎn)生形狀為一系列同心圓的光柵掃描。
22.如權(quán)利要求19或20所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，對于每一扇形區(qū)，導(dǎo)體上施加一個斜坡電壓，以產(chǎn)生螺旋線形狀的光柵掃描。
23.如權(quán)利要求1至22中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置包括兩個存儲器組，它們交替地向顯示器件提供用于當前圖象的圖象信息，并存儲下一圖象的信息。
24.如權(quán)利要求23所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，控制裝置包括一個三維象素時鐘和一個計數(shù)器，三維象素時鐘由控制裝置提供每一扇形區(qū)的三維象素數(shù)量，并向計數(shù)器提供其數(shù)量與每一扇形區(qū)三維象素數(shù)量對應(yīng)的時鐘脈沖，扇形區(qū)計數(shù)器從控制裝置得到每個相繼的扇形區(qū)地址，在接收到三維象素時鐘的每一個時鐘脈沖時將地址增量，每個增量后的地址提供給存儲器組。
25.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，容器由圍繞顯示體的頂半部和底半部組成，頂半部由透明材料做成。
26.如權(quán)利要求25所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，頂半部呈具有柱形側(cè)壁的鐘形。
27.如權(quán)利要求25或26所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，底半部和頂半部粘接在一起。
28.如權(quán)利要求25至27中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，在頂半部之外設(shè)置一個有機玻璃罩。
29.如權(quán)利要求25至28中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，容器由玻璃做成。
30.如權(quán)利要求1至10或13至29中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，熒光物質(zhì)涂層是熒光劑P31。
31.如權(quán)利要求1至10或13至29中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，熒光物質(zhì)涂層是熒光劑P5。
32.如權(quán)利要求1至31中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕由玻璃做成。
33.如權(quán)利要求1至32中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕為導(dǎo)線網(wǎng)格。
34.如權(quán)利要求1至33中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，旋轉(zhuǎn)裝置包括一個在容器之外的電動機，它轉(zhuǎn)動第一磁性材料耦合件，并且轉(zhuǎn)動容器內(nèi)連接屏幕并與第一磁性材料耦合件相對的第二磁性材料耦合件。
35.如權(quán)利要求1至24中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，旋轉(zhuǎn)裝置以大約15Hz的速度轉(zhuǎn)動屏幕。
36.如權(quán)利要求32所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕厚度為0.2至2mm。
37.如權(quán)利要求1至10或13至29中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，熒光物質(zhì)涂層為P20。
38.如權(quán)利要求1至10或13至29中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，熒光物質(zhì)涂層為P45。
39.如權(quán)利要求1至38中任一項所述的顯示系統(tǒng)，其特征在于，屏幕的熒光物質(zhì)涂層是透明的。
全文摘要
一種三維象素裝置，包括一個抽成真空的容器、一個涂有熒光物質(zhì)的屏幕、旋轉(zhuǎn)屏幕的裝置、一支或更多支電子槍和驅(qū)動電子槍的控制裝置。對于許多圖象扇形區(qū)，由電子槍將連續(xù)的圖象幀寫在旋轉(zhuǎn)的屏幕上。只要屏幕轉(zhuǎn)動得足夠迅速，并且熒光涂層具有所需的停留時間，則人眼會在由屏幕掃出的顯示體積中看到三維象素。
文檔編號G09G3/00GK1088356SQ9311766
公開日1994年6月22日 申請日期1993年9月10日 優(yōu)先權(quán)日1992年9月10日
發(fā)明者巴里·喬治·勃倫·黛爾 申請人:巴里·喬治·勃倫·黛爾